ES2359958T3

ES2359958T3 - FERRITA CORE FOR AN INDUCTANCE.

Info

Publication number: ES2359958T3
Application number: ES03016771T
Authority: ES
Inventors: Christof Gulden
Original assignee: Sts Spezial Transformatoren Stockach & Co GmbH; Sts Spezial-Transformatoren-Stockach & Co GmbH
Current assignee: Sts Spezial Transformatoren Stockach & Co GmbH; Sts Spezial-Transformatoren-Stockach & Co GmbH
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2011-05-30
Anticipated expiration: 2023-07-23
Also published as: EP1501106B1; EP1501106A1; DK1501106T3; ATE497627T1; DE50313456D1; PT1501106E

Abstract

Ferrite core comprises parallel sides (1, 2) joined at their ends by yokes (3, 4) and having segments (5) separated from each other by an insulator (6). An independent claim is also included for an inductance component.

Description

La invención se refiere a un núcleo para una inductancia que incluye, como mínimo, dos brazos paralelos el uno con el otro que en sus extremos están unidos entre sí mediante un yugo, según las características del preámbulo de la reivindicación 1. En particular, la invención se refiere a un núcleo para una así denominada bobina de resonancia, preferentemente para su uso en piezas de redes de conmutación. The invention relates to a core for an inductance that includes at least two arms parallel to each other that at their ends are joined together by a yoke, according to the characteristics of the preamble of claim 1. In particular, the The invention relates to a core for a so-called resonance coil, preferably for use in parts of switching networks.

En los últimos decenios, las frecuencias de conmutación en las piezas de redes de conmutación fueron incrementándose cada vez más para minimizar el tamaño de los componentes inductivos y con ello también el tamaño de las piezas de redes de conmutación. Debido a las pérdidas por conmutación producidas con altas frecuencias en los semiconductores de potencia, la tendencia en los últimos años es hacia las topologías de conmutación resonantes o cuasiresonantes, en las que los semiconductores son conmutados en estado de sin corriente ((ZCS: Zero Current Switch) o en estado de sin tensión (ZVS: Zero Voltage Switch). Dichas topologías de conmutación hacen necesario el uso de una bobina de resonancia. In recent decades, the switching frequencies in the switching network parts have been increasingly increasing to minimize the size of the inductive components and thus also the size of the switching network parts. Due to the switching losses produced with high frequencies in the power semiconductors, the tendency in recent years is towards resonant or quasi-resonant switching topologies, in which the semiconductors are switched in a state of no current ((ZCS: Zero Current Switch) or in a state of no voltage (ZVS: Zero Voltage Switch) These switching topologies make it necessary to use a resonance coil.

Las bobinas de resonancia destacan por que la corriente que fluye a través de la bobina es, frecuentemente, sinusoidal, pudiendo aparecer, sin embargo, también corrientes rectangulares o triangulares. Sin embargo, con frecuencias de conmutación bastante elevadas siempre se produce una gran diferencia de corriente Δl. Por ello, en el dimensionamiento de una bobina valen las siguientes reglas de diseño: The resonance coils stand out because the current that flows through the coil is often sinusoidal, although rectangular or triangular currents can appear, however. However, with very high switching frequencies, a large current difference Δl always occurs. Therefore, the following design rules apply to sizing a coil:

 Deben usarse materiales del núcleo de poca pérdida, por ejemplo, ferritas de potencia;  Low loss core materials should be used, for example, power ferrites;

 la modulación del núcleo debería ser relativamente pequeña, obtenible, por ejemplo, mediante un mayor número de espiras o un entrehierro grande;  the modulation of the nucleus should be relatively small, obtainable, for example, by a greater number of turns or a large air gap;

 se debería usar un conductor de alta frecuencia de grano fino;  a high frequency fine grain conductor should be used;

 el núcleo sólo debería estar bobinado de una capa;  the core should only be wound from one layer;

 el conductor de alta frecuencia no debería estar demasiado próximo al entrehierro;  the high frequency driver should not be too close to the air gap;

 los entrehierros no deberían ser demasiado grandes, para mantener pequeño el campo de dispersión.  the air gaps should not be too large to keep the dispersion field small.

Si se observan dichas reglas, se advierte que en ocasiones algunas reglas se contradicen, por ejemplo, un entrehierro pequeño por el campo de dispersión respecto de un entrehierro grande para mantener baja la modulación, de modo que siempre debe encontrarse un acuerdo entre los criterios. La exigencia de una modulación pequeña del núcleo tiene por consecuencia que la permeabilidad efectiva del núcleo es muy baja y, por lo tanto, el entrehierro es muy grande. Una permeabilidad µ de 35 - 40 es lo máximo que se puede conseguir con una ferrita de uno o dos entrehierros. If these rules are observed, it is noted that sometimes some rules contradict, for example, a small air gap through the dispersion field with respect to a large air gap to keep modulation low, so that an agreement must always be found between the criteria. The requirement of a small modulation of the core results in that the effective permeability of the core is very low and, therefore, the air gap is very large. A permeability µ of 35-40 is the maximum that can be achieved with a ferrite of one or two air gaps.

Para conseguir permeabilidades aún más pequeñas, el núcleo puede ser cizallado por la inclusión de múltiples entrehierros. En el pasado se usaba para ello, por ejemplo, un núcleo toroidal segmentado en el que se alternaban entrehierros y segmentos de núcleo toroidal. En este caso son desventajas el elevado precio, ya que todavía no existen a la venta núcleos toroidales de varias partes, y que el pegado de las piezas es bastante dificultoso. Además es dificultoso mantener una distancia al conductor por que, caso contrario, la ventana de arrollamiento se hace cada vez más pequeña y ya no es posible un arrollamiento de una capa. To achieve even smaller permeabilities, the core can be sheared by the inclusion of multiple air gaps. In the past, for example, a segmented toroidal core was used in which air gaps and toroidal core segments alternated. In this case, the high price is disadvantageous, since there are still no multi-part toroidal cores for sale, and the sticking of the pieces is quite difficult. In addition, it is difficult to maintain a distance to the driver because, otherwise, the winding window becomes smaller and smaller and it is no longer possible to wind a layer.

Para la mayoría de los componentes inductivos es ventajoso un arrollamiento cilíndrico, que tiene la ventaja de que la longitud de las espiras es la más corta y, gracias a la gran relación superficie/volumen, las propiedades térmicas son las más favorables. For most inductive components a cylindrical winding is advantageous, which has the advantage that the length of the turns is the shortest and, thanks to the large surface / volume ratio, the thermal properties are the most favorable.

Mediante el documento DE 12 45 487 B se da a conocer un procedimiento para la fabricación de un núcleo de chapa de hierro para transformadores y bobinas. El núcleo mostrado presenta las características del preámbulo de la reivindicación 1. Se trata aquí de una disminución de ruidos producidos por el núcleo de chapa de hierro, estando el circuito magnético interrumpido en uno o más puntos mediante un entrehierro o puentes amagnéticos y los puentes amagnéticos están enmasillados con una masa bien adherente y endurecible a los extremos de las chapas del núcleo que están de cara al punto de interrupción. La fabricación de un núcleo de hierro de chapa de este tipo con extremos de chapa masillados es relativamente complicada y costosa. Document DE 12 45 487 B discloses a process for the manufacture of an iron core for transformers and coils. The core shown has the characteristics of the preamble of claim 1. It is here a decrease in noise produced by the iron sheet core, the magnetic circuit being interrupted at one or more points by means of an air gap or non-magnetic bridges and the non-magnetic bridges they are masked with a well adherent and hardenable mass at the ends of the core plates facing the breakpoint. The fabrication of such a sheet iron core with putty sheet ends is relatively complicated and expensive.

Por el documento GB 2 037 089 A se da a conocer un dispositivo (transformador) que presenta un núcleo ferro-magnético. Dicho núcleo presenta de un lado un intersticio unilateral, dividido en un sinnúmero de intersticios parciales, rellenados de un material sólido, no ferromagnético (masilla o partículas de vidrio). Los intersticios están dispuestos magnéticamente uno detrás de otro mediante la disposición de material ferromagnético. En este caso, el tamaño de las partículas de vidrio determina la abertura del intersticio. Algunas zonas de los entrehierros delimitan el campo de dispersión, que atraviesa el film de aluminio del lado primario del transformador, enrollado sobre el núcleo de ferrita. El núcleo secundario es de alambre de cobre. Dicha invención tiene la desventaja de que el entrehierro es sólo unilateral y se presenta, en este caso, una mayor generación de ruido que en un núcleo de acuerdo con la presente invención. From GB 2 037 089 A a device (transformer) having a ferro-magnetic core is disclosed. Said core has a unilateral interstitium on one side, divided into a number of partial interstices, filled with a solid, non-ferromagnetic material (putty or glass particles). The interstices are magnetically arranged one behind the other by the arrangement of ferromagnetic material. In this case, the size of the glass particles determines the opening of the gap. Some areas of the air gaps delimit the dispersion field, which passes through the aluminum film on the primary side of the transformer, wound on the ferrite core. The secondary core is copper wire. Said invention has the disadvantage that the air gap is only unilateral and, in this case, there is a greater noise generation than in a core according to the present invention.

El documento GB 1 229 437 A da a conocer un núcleo magnético que tiene una forma tridimensional triangular o redonda con tres brazos. Los diferentes segmentos de los brazos se componen de chapas laminadas y los yugos de chapas laminadas conformadas triangulares. GB 1 229 437 A discloses a magnetic core that has a three-dimensional triangular or round shape with three arms. The different segments of the arms are composed of laminated sheets and the yokes of triangular shaped laminated sheets.

El ensayo de Boyle J.W. et al "HF Magnetics For High Power Resonant Switching Converters", en IEE Colloquium on Resonant Systems, (Digest No. 95/013), Londres 1995, páginas 4/1-4/7, XP006528741 da a conocer un núcleo de ferrita para una inductancia que se compone de dos núcleos con forma de E cuyos salientes centrales están conectados entre sí, mediante segmentos en forma de píldoras, formando entrehierros. The essay by Boyle J.W. et al "HF Magnetics For High Power Resonant Switching Converters", in IEE Colloquium on Resonant Systems, (Digest No. 95/013), London 1995, pages 4 / 1-4 / 7, XP006528741 discloses a ferrite core for an inductance that is composed of two E-shaped nuclei whose central protrusions are connected to each other, by means of pills-shaped segments, forming air gaps.

El documento US 2002/0132136 A1 da a conocer un núcleo magnético compuesto de múltiples placas, separadas entre sí por medio de material aislante. US 2002/0132136 A1 discloses a magnetic core composed of multiple plates, separated from one another by means of insulating material.

El objetivo de la invención consiste en crear un núcleo para una inductancia y un componente inductivo correspondiente con el que puede conseguirse una elevada densidad de potencia de la inductancia y que, con ello, sea relativamente sencillo y económico de fabricar. El núcleo de ferrita ha de ser particularmente apto para el uso en bobinas de resonancia. The objective of the invention is to create a core for an inductance and a corresponding inductive component with which a high power density of the inductance can be achieved and which, thus, is relatively simple and economical to manufacture. The ferrite core must be particularly suitable for use in resonance coils.

Dicho objetivo se consigue de acuerdo con la invención por medio de un núcleo de las características de la reivindicación 1. Una inductancia con un núcleo de este tipo se indica en la reivindicación 5. Said objective is achieved in accordance with the invention by means of a core of the features of claim 1. An inductance with such a core is indicated in claim 5.

Una característica esencial de la invención es el hecho de que el núcleo es un núcleo de ferrita en el que los brazos son cilíndricos, y que los diferentes segmentos están realizados como tabletas de ferrita prensadas con una sección transversal redonda u ovalada. Cada uno de los segmentos está separado por medio de un aislador. An essential feature of the invention is the fact that the core is a ferrite core in which the arms are cylindrical, and that the different segments are made as pressed ferrite tablets with a round or oval cross section. Each of the segments is separated by means of an insulator.

Los aisladores son de un material con una permeabilidad µ ∼ 1. Actúan como "entrehierro" entre los diferentes segmentos o secciones de los brazos. The insulators are made of a material with a permeability µ ∼ 1. They act as "air gap" between the different segments or sections of the arms.

La forma constructiva con múltiples entrehierros es particularmente muy apropiada para bobinas de resonancia, porque los entrehierros individuales son relativamente pequeños, aún con una permeabilidad mínima. The constructive form with multiple air gaps is particularly suitable for resonance coils, because the individual air gaps are relatively small, even with minimal permeability.

Los brazos tienen una sección transversal redonda u ovalada. Una forma redonda u ovalada de las zonas de los brazos que han de ser bobinadas produce pérdidas mínimas de Cu y es sencillo de bobinar. The arms have a round or oval cross section. A round or oval shape of the areas of the arms to be wound produces minimal losses of Cu and is simple to wind.

El yugo tiene una sección transversal rectangular, de modo que los extremos de los brazos pueden conectarse, sencillamente, a un área plana del yugo. The yoke has a rectangular cross-section, so that the ends of the arms can simply be connected to a flat area of the yoke.

Según otra configuración de la invención, el núcleo de ferrita puede estar construido como núcleo con forma de E con tres brazos unidos entre sí por medio de un yugo. Con ello, los ejes longitudinales de los brazos se encuentran todos en un plano común. According to another configuration of the invention, the ferrite core can be constructed as an E-shaped core with three arms joined together by means of a yoke. With this, the longitudinal axes of the arms are all in a common plane.

Sin embargo, para aplicaciones especiales o condiciones constructivas especiales también puede disponerse que los ejes longitudinales de los brazos se encuentren, al menos en parte, en planos diferentes de modo que, visto desde arriba, resulta una disposición triangular de los brazos. However, for special applications or special construction conditions it can also be provided that the longitudinal axes of the arms are, at least in part, in different planes so that, seen from above, a triangular arrangement of the arms results.

En una inductancia construida con el núcleo de ferrita según la invención se trata, preferentemente, de una bobina de resonancia, estando los brazos provistos de un arrollamiento de una capa, preferentemente. El arrollamiento se compone de un conductor de alta frecuencia. In an inductance constructed with the ferrite core according to the invention, it is preferably a resonance coil, the arms being provided with a winding of a layer, preferably. The winding consists of a high frequency conductor.

Para mantener baja la influencia del campo de dispersión sobre el arrollamiento, entre el brazo respectivo del núcleo de ferrita y el arrollamiento puede estar dispuesto un aislador, de modo que se produce una distancia entre el arrollamiento y el núcleo o el entrehierro correspondiente. Sin embargo, también es posible usar un cuerpo de bobina que rodea el núcleo al menos en la zona del arrollamiento. In order to keep the influence of the dispersion field on the winding down, an insulator can be arranged between the respective arm of the ferrite core and the winding, so that a distance between the winding and the core or the corresponding air gap is produced. However, it is also possible to use a coil body that surrounds the core at least in the winding area.

Otra ventaja de la invención consiste en que la relación de anchura de ventana de arrollamiento respecto de la altura de ventana de arrollamiento puede ajustarse, óptimamente, a cada caso de aplicación, por ejemplo, para posibilitar un arrollamiento de una capa. De esta forma resultan pérdidas de Cu pequeñas debidas al efecto Kelvin y un componente de poca capacitancia. La altura de la ventana de enrollamiento puede ajustarse de modo tal que se puede regular la distancia ideal entre conductor y entrehierro. Another advantage of the invention is that the winding window width ratio with respect to the winding window height can be optimally adjusted to each application case, for example, to enable winding of a layer. This results in small Cu losses due to the Kelvin effect and a low capacitance component. The height of the winding window can be adjusted so that the ideal distance between conductor and air gap can be adjusted.

Los segmentos preferentemente cilíndricos de los brazos pueden fabricarse con una herramienta relativamente sencilla y, como tal, barata. Las "tabletas de ferrita" prensadas requieren ningún o sólo poco acabado, antes de poder ser pegadas una con otra. Los segmentos son sencillos de pegar y sencillos de bobinar (bobinado por capas). Incluso se puede bobinar directamente sobre el núcleo. El concepto del núcleo de ferrita compuesto es muy variable, porque con dos a tres tamaños de segmentos, es decir, diferentes diámetros y alturas pueden abarcarse muchas bobinas diferentes. The preferably cylindrical segments of the arms can be manufactured with a relatively simple and, as such, inexpensive tool. Pressed "ferrite tablets" require no or only little finishing, before they can be glued together. The segments are simple to paste and simple to wind (layered winding). You can even wind directly on the core. The concept of the composite ferrite core is very variable, because with two to three segment sizes, that is, different diameters and heights can cover many different coils.

La forma constructiva del núcleo de ferrita de acuerdo con la invención puede equiparse de manera relativamente sencilla de un disipador de calor, para realizar así una densidad de potencia grande en lo posible. Tanto el arrollamiento como el núcleo mismo ofrecen suficiente "superficie de ataque" para un disipador de calor pasivo. The constructive shape of the ferrite core according to the invention can be relatively easily equipped with a heat sink, to thereby achieve a large power density where possible. Both the winding and the core itself offer enough "attack surface" for a passive heat sink.

5 Ahora, un ejemplo de realización de la invención se explica en detalle mediante los dibujos. 5 Now, an exemplary embodiment of the invention is explained in detail by the drawings.

La figura 1 muestra una vista lateral del núcleo de ferrita de acuerdo con la invención, con arrollamiento esbozado; Figure 1 shows a side view of the ferrite core according to the invention, with outlined winding;

La figura 2 muestra una sección a través de un núcleo de ferrita de acuerdo con la invención. Figure 2 shows a section through a ferrite core according to the invention.

La figura 1 muestra una vista lateral del núcleo de ferrita de acuerdo con la invención. El núcleo de ferrita se compone, esencialmente, de dos brazos preferentemente cilíndricos 1, 2, cuyos extremos están, en cada caso, unidos uno Figure 1 shows a side view of the ferrite core according to the invention. The ferrite core is essentially composed of two preferably cylindrical arms 1, 2, whose ends are, in each case, joined together.

10 con el otro mediante un yugo 3, 4. Los brazos cilíndricos 1, 2 están compuestos, cada uno, de varios segmentos 5 preferentemente de igual forma, estando dichos segmentos separados uno de otro mediante discos aislantes 6. Los segmentos 5 y los discos aislantes 6 están pegados entre sí, así como también están pegados los brazos 1, 2 con el yugo 3, 4 respectivo. 10 with the other by means of a yoke 3, 4. The cylindrical arms 1, 2 are each composed of several segments 5 preferably in the same way, said segments being separated from each other by insulating discs 6. Segments 5 and disks insulators 6 are glued to each other, as well as the arms 1, 2 are attached with the respective yoke 3, 4.

Ambos brazos 1, 2 llevan un arrollamiento 7 que, tal como se indica en la figura 1, puede arrollarse directamente 15 sobre los brazos 1, 2. Se usa, preferentemente, un arrollamiento 7 de una capa. Both arms 1, 2 carry a winding 7 which, as indicated in Figure 1, can be directly wound 15 on the arms 1, 2. Preferably, a winding 7 of a layer is used.

Al contrario de la figura 1, el arrollamiento 7 de la figura 2 no está aplicado directamente sobre los brazos 1, 2. En su lugar, los brazos 1, 2 están envueltos, primeramente, de un material aislante 8, material aislante 8 sobre el que, a continuación, se aplica el arrollamiento 7. In contrast to Figure 1, the winding 7 of Figure 2 is not applied directly to the arms 1, 2. Instead, the arms 1, 2 are firstly wrapped of an insulating material 8, insulating material 8 on the that, then, winding 7 is applied.

En la figura 1 está esbozada la respectiva altura de ventana de arrollamiento H y la anchura de ventana de arrollaIn figure 1 the respective winding window height H and the winding window width are outlined

20 miento B. En esta forma de construcción del núcleo, la relación anchura de ventana de arrollamiento B respecto de la altura de ventana de arrollamiento H puede ser modificada muy fácilmente y adaptada a las circunstancias correspondientes. 20 B. In this form of construction of the core, the winding window width ratio B with respect to the winding window height H can be modified very easily and adapted to the corresponding circumstances.

Claims

1. Core for an inductance with at least two arms (1; 2) essentially parallel to each other, which at their two ends are connected to each other by a yoke (3; 4), the arms being (1; 2) composed of multiple individual segments (5) that, in each case, are separated from each other by an insulator (6),

5 the segments (5) and the insulators (6) being glued together, and the yokes (3; 4) being made as I-shaped cores with rectangular cross-section, characterized in that it is a ferrite core in which the arms (1; 2) are cylindrical and the different segments (5) are made as pressed ferrite tablets with a round or oval cross section.

2. Core according to claim 1, characterized in that it has three arms.

: 10 3. Núcleo según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque los ejes longitudinales de los brazos (1; 2) se encuentran todos en un mismo plano común. A core according to one of claims 1 or 2, characterized in that the longitudinal axes of the arms (1; 2) are all in the same common plane.

4. Four.: Núcleo según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque los ejes longitudinales de los brazos se encuentran, al menos en parte, en planos diferentes. Nucleus according to one of claims 1 or 2, characterized in that the longitudinal axes of the arms are, at least in part, in different planes.

5.5.: Inductancia, caracterizada porque comprende un núcleo de ferrita según las reivindicaciones 1 a 4. Inductance, characterized in that it comprises a ferrite core according to claims 1 to 4.

: 15 6. Inductancia según la reivindicación 5, caracterizada porque es una bobina de inducción. Inductance according to claim 5, characterized in that it is an induction coil.

7.7.: Inductancia según la reivindicación 5 o 6, caracterizada porque es una bobina de resonancia. Inductance according to claim 5 or 6, characterized in that it is a resonance coil.

8.8.: Inductancia según una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizada porque el arrollamiento (7) se compone de una Inductance according to one of claims 5 to 7, characterized in that the winding (7) is composed of a

or more layers of high frequency conductors.

9. Inductance according to one of claims 5 to 8, characterized in that the winding (7) is composed of a combination of one or more layers of high frequency conductors and a Cu band.

10. 10.: Inductancia según una de las reivindicaciones 5 a 9, caracterizada porque entre el brazo (1; 2) respectivo del núcleo de ferrita y el arrollamiento (7) está dispuesto un aislador (8; 9). Inductance according to one of claims 5 to 9, characterized in that an insulator (8; 9) is arranged between the respective arm (1; 2) of the ferrite core and the winding (7).

11. eleven.: Inductancia según una de las reivindicaciones 5 a 10, caracterizado porque el núcleo de ferrita está encerrado, al menos en parte, por un cuerpo de bobina. Inductance according to one of claims 5 to 10, characterized in that the ferrite core is enclosed, at least in part, by a coil body.